激光熔覆系统能耗模型与节能节材方法研究

摘要

制造业的飞速发展带给人类巨大财富和生活便利，但同时也消耗了大量资源，并导致严重的生态环境问题，如何平衡经济利益与环境资源的关系成为当今国内外学者关注的热点话题。因此制造过程的环境特性分析成为实现可持续制造的重中之重，增材制造技术的出现为制造业开辟了新的发展方向，但低生产率、高能耗的生产特点对其发展有诸多限制。针对目前增材制造过程环境特性机理尚不明确，理论体系尚不健全，缺乏完善的能耗、物耗预测模型等现状，本文在国家自然科学基金项目“不确定环境下再制造系统能效提升与生态友好机制研究”（编号51775086）的资助下，对激光熔覆这一典型增材技术的环境特性展开详细的研究，具体工作概况如下： 搭建了激光熔覆系统电能耗监测平台，将整个激光熔覆系统分为激光发生器、冷却系统、机械臂控制柜、送粉系统以及辅助系统等五个子系统，通过实验检测和数据拟合，分别对各子系统进行能耗建模，从而得到激光熔覆系统整机参数化能耗模型，并通过熔覆20层316L不锈钢粉工艺验证了所建模型的正确性，得到的相关数据补充了美国麻省理工大学Gutowski教授已建立的比能图谱； 通过实验设计（DOE）方法研究激光功率、扫描速度、送粉速率以及主轴提升量四个工艺参数与粉末利用率这一重要物耗指标的关系，借助MINITAB分析软件进行粉末利用率关于工艺参数的数学分析，从而得到激光熔覆工艺的粉末利用率参数模型，并对模型的合适性进行了全面科学的分析，并对工艺参数的影响规律进行了详尽的探讨，随后运用九组正交实验验证了参数模型预测粉末利用率的有效性； 最后，在激光熔覆系统整机参数化能耗模型、粉末利用率参数模型以及工艺参数对物耗的影响规律分析的基础上，进行激光熔覆过程节能节材方法的研究。基于能耗模型和粉末利用率参数模型建立激光熔覆过程的比能耗模型，并给出了已知工艺参数下相应熔覆过程能耗的矩阵计算形式以及定义了生产率的计算公式，进而以四个工艺参数为优化对象，通过响应曲面法对粉末利用率、比能耗以及生产率三个节能衡量标准进行了多目标优化，实验验证参数的优化并未破坏熔覆试件的表面质量，并确定了可以实现较好目标的工艺参数的取值范围，对于工艺方案的制定与选择具有参考价值。 本文的研究深化了研究人员对激光熔覆技术环境特性的认识，为节能减排以及其他增材制造技术的相关环境特性的研究提供了方法参考以及数据支持。

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